亚稳态β钛合金中与机械孪生相伴随的应力诱导ω相变

亚稳态β钛合金中与机械孪生相伴随的应力诱导ω相变是一种十分独特的相变方式，本项目主要针对亚稳态β钛合金塑性变形过程中伴随于机械孪生的应力诱导ω相变的形成条件和形成机制开展基础研究工作，具有重要的学术意义。本项目首先利用第一性原理理论研究不同Nb含量β结构Ti-Nb合金弹性性质，相稳定性，以及{332}<113>和{112}<111>滑移系的广义堆垛层错能，探讨合金相稳定性与不同滑移系广义堆垛层错能的关系；并从{332}<113>和{112}<111>滑移系的广义堆垛层错能角度来研究{332}<113>或{112}<111>孪生及与之相伴随的应力诱导ω相变的形成规律；进一步结合亚稳态β钛合金形变微结构的高分辨透射电镜观察，揭示亚稳态β钛合金中存在的机械孪生及与之相伴随的应力诱导ω相变的物理机制。

亚稳态β钛合金中与机械孪生相伴随的应力诱导ω相变是一种十分独特的塑性变形方式，本项目旨在弄清其物理机制。首先基于第一性原理理论计算，分别采用超晶胞和虚拟晶体近似处理无序β-Ti合金体系，研究了合金稳定性与力学性能的关系并据之探讨了其塑性变形机制。计算结果表明随着电子浓度的降低，β-Ti合金的结构稳定性、沿{110}<111>和{112}<111>方向的层错能、理论剪切强度、孪晶形成能和孪晶迁移能均随之逐渐下降。针对亚稳态Ti-25Nb（原子分数）合金，计算得到的分位错能量差与实验值十分接近，位错核芯结构的分析表明该合金相比其他稳态钛合金更容易发生孪生和应力诱导的相变。进一步利用透射电子显微技术系统研究了成分分别为Ti-40Nb、Ti-50Nb、Ti-65Nb、Ti-85Nb（质量分数）的β钛合金在室温下的压缩力学性能和塑性变形机制。结果显示Ti-Nb合金的β相稳定性随着Nb含量增加而升高。随着Nb含量的增加，Ti-Nb合金塑性变形机制从α"马氏体相变向{112}<111>机械孪生和应力诱发ω相变过渡；当β相稳定性很高时，塑性变形只能通过位错滑移进行。Ti-Nb合金的塑性变形机制除了与β相稳定性有关，还可能与氧含量、变形方式、变形程度等因素相关。塑性变形机制与宏观力学性能有密切联系。在Ti-50Nb合金中观察到独特的伴随于{112}<111>型机械孪生的应力诱导β→ω 相变, 且呈现Z字形形貌特征。其形成机制可用螺位错的交滑移及不全位错的运动来解释。其形成条件跟β相稳定性、{112}面层错能、(0-11)特征面对不全位错的阻挡及临界剪切应力等有关。本项目还利用不同氧含量的两种Ti-20V合金做对比试验，结果显示在拉伸变形后的高氧Ti-20V合金中观察到与Ti-Nb合金中完全不同的伴随{332}<113>机械孪晶形成的应力诱发ω相，且钛合金β相稳定性与氧含量有关，氧含量的增加可以抑制β钛合金中的非热ω相和应力诱发ω相的形成。